DAC基础知识：静态技术规格
所有dac之间的共性就是技术规格的定义以及说明。这篇文章将会论述静态dac技术规格。静态dac技术规格包括对dac在dc域中所具有的特性的描述。在dc域中时，dac的数字与模拟定时现象不属于这一组技术规格。
图1
虽然这3个dac拓扑互不相同，但它们的技术规格与电气描述非常类似。
一个主要的静态dac技术规格就是理想转换函数（图2）。在对这个普通转换函数的图示中，可以轻松地体会和理解零代码、偏移、满量程以及增益的定义。一旦你理解了上述概念，差分非线性 （dnl），积分非线性 （inl）以及单调性技术规格也就再次成为理想转换函数的另一个导函数。
图2
理想dac转换函数
图2显示了一个dac是如何为数字输入代码的一个离散数值生成单个模拟输出值的方式。图中数字输入代码的顺序是单极的，其中代码以标准二进制的方式增加。
图2中dac转换函数的模拟范围是从零至模拟输出满量程 （fs） 值。dac电压基准 （vref） 建立了转换器的最低有效位 （lsb） 或代码宽度，并且设定了满量程范围 （fsr）。lsb的大小等于vref/ 2n。
在图2中，“n”等于转换器的分辨率，而2n等于转换器单个位的数量。dac所具有的代码的数量等于2n。对于3位转换器来说，代码数量等于23或8。这个理想转换函数的转换公式为vout = vref x （code/2n），并且满量程输出电压等于vref – 1lsb。
零代码误差
图3中，dac的零代码误差是最易理解的静态技术规格。我们假定这个值是针对一个单极、单电源dac而言的，这个dac的完全理想最小输出电压为0伏。当将数字0值载入到dac寄存器中时，零量程误差出现在dac的模拟输出引脚上。这个误差是由内部输出放大器的输出摆动性能导致的。对于单电源dac来说，零量程误差始终为正值，而这个技术规格的单位为毫伏或微伏。
图3
dac的内部输出放大器因不能达到负电源轨而导致的零误差运行状态。
偏移误差
然而，偏移误差是不同的。偏移误差在整个dac转换曲线的大部分范围内存在。在图4中，在理想转换曲线的每一个代码上，模拟偏移误差都会变化。从图中你能够看到，在沿着x轴的垂直方向上，具有偏移误差的转换曲线与理想曲线的相同程度。这个技术规格的单位通常为毫伏。
图4
偏移误差可为正，亦可为负，但是它始终以同样的误差影响着每一个代码。
增益误差
增益误差这个概念有些难以理解。总的来说，增益误差描述的是理想dac曲线斜率的变化。图5对这个概念进行了说明。增益误差技术规格通常以fsr的百分比来表示，并且在消除偏移误差之后进行计算。
图5
dac的增益误差使理想转换函数绕着零交叉点旋转
差分非线性
差分非线性 （inl） 是一个静态技术规格，有时也被称为差分线性。dnl是实际模拟输出步长与1lsb的理想步长值的最大偏离。这在整个实际转换函数曲线上进行评估（图6）。由于每个代码也许都需要调整，所以很难校准这个dac误差。
图6
dnl代表每个实际电压输出与理想曲线间的差异。一个12位dac dnl误差曲线，其中x轴等于dac代码（0至4095），而y轴等于dnl。
例如，一个对于1 lsb数字代码变化发生1.5 lsb输出改变的dac表现出0.5 lsb的差分非线性。dnl大于1也许说明存在缺失的代码。差分非线性的测量单位为分数位或满量程的百分比。出现dnl问题的dac所生成的误差会影响到增益控制应用。
单调性
作为一名音乐家，我从来都不理解这个术语的来源。在音乐领域，单调的定义就是只有一个音调。但接下来我们要从另外一个角度来看看这个dac技术规格的定义。
少于 -1 lsb的差分非线性为dac产生一个非单调转换函数（图7）。如果dac是非单调的，那么dac模拟输出的振幅小于数字输入代码的增加量，反之亦然。
图7
非单调dac运行状态在模数转换关系中出现反转。
一个dac所表现出的任何非单调运行状态无法确定是否会对系统造成影响。例如，在音频应用中，听众能够听到一个短暂的较小的模拟输出电压，而无法察觉较大的输入代码。在另外的应用中，这会是一个很明显的问题，有可能导致系统振荡。例如，在一个dc电机控制系统中，相对于输入代码的增加而产生的模拟输出电压减少，也许很容易地被误解为系统将通过减少输入代码来执行校正。
积分非线性
另外一个dac静态技术规格为积分非线性 （inl），它是dac真实转换函数到理想转换函数轻微偏离的测量值（图8）。积分非线性、线性误差、或者inl是dnl误差的最高值。这个技术规格使用最优直线或端到端（端点线性）直线来量化inl，单位为lsb。
图8
inl技术规格定义了最优直线或端到端直线与理想dac转换函数之间的最差情况距离。
诸如仲裁波形发生器的应用需要有较好的inl。
在数据表之间比较技术规格
当将一个数据表与另一个数据表进行比较时，技术规格也许会有不同的测量单位。例如，在一个数据表中，偏移误差的单位也许是伏，而在另外一个数据表中，单位也许是lsb或fsr的百分比。表1提供了在lsb、伏、fsr百分比和ppm（百万分率）之间的转换计算方法。
表1
技术规格单位转换
结论
dac的偏移、增益、inl、和dnl运行状态会以多种方式影响总体系统的有效性。但是，还有很多其它的影响因素。在这个dac系列的第4部分，我们将涉及动态技术规格的定义，诸如稳定时间、毛刺脉冲和噪声。
参考文献
· “使你的dac更精确”，baker，bonnie，edn，2006年10月26日
· “缩小差距：dac应用教程 （snaa129），”mcculley，bill，德州仪器 （ti）
· “缩小差距（第3部分）：dac应用回顾，”mcculley，bill，eetimes europe，2010年7月6日
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图2
理想dac转换函数
图2显示了一个dac是如何为数字输入代码的一个离散数值生成单个模拟输出值的方式。图中数字输入代码的顺序是单极的，其中代码以标准二进制的方式增加。
图2中dac转换函数的模拟范围是从零至模拟输出满量程 （fs） 值。dac电压基准 （vref） 建立了转换器的最低有效位 （lsb） 或代码宽度，并且设定了满量程范围 （fsr）。lsb的大小等于vref/ 2n。
在图2中，“n”等于转换器的分辨率，而2n等于转换器单个位的数量。dac所具有的代码的数量等于2n。对于3位转换器来说，代码数量等于23或8。这个理想转换函数的转换公式为vout = vref x （code/2n），并且满量程输出电压等于vref – 1lsb。
零代码误差
图3中，dac的零代码误差是最易理解的静态技术规格。我们假定这个值是针对一个单极、单电源dac而言的，这个dac的完全理想最小输出电压为0伏。当将数字0值载入到dac寄存器中时，零量程误差出现在dac的模拟输出引脚上。这个误差是由内部输出放大器的输出摆动性能导致的。对于单电源dac来说，零量程误差始终为正值，而这个技术规格的单位为毫伏或微伏。
图3
dac的内部输出放大器因不能达到负电源轨而导致的零误差运行状态。
偏移误差
然而，偏移误差是不同的。偏移误差在整个dac转换曲线的大部分范围内存在。在图4中，在理想转换曲线的每一个代码上，模拟偏移误差都会变化。从图中你能够看到，在沿着x轴的垂直方向上，具有偏移误差的转换曲线与理想曲线的相同程度。这个技术规格的单位通常为毫伏。
图4
偏移误差可为正，亦可为负，但是它始终以同样的误差影响着每一个代码。
增益误差
增益误差这个概念有些难以理解。总的来说，增益误差描述的是理想dac曲线斜率的变化。图5对这个概念进行了说明。增益误差技术规格通常以fsr的百分比来表示，并且在消除偏移误差之后进行计算。
图5
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图6
dnl代表每个实际电压输出与理想曲线间的差异。一个12位dac dnl误差曲线，其中x轴等于dac代码（0至4095），而y轴等于dnl。
例如，一个对于1 lsb数字代码变化发生1.5 lsb输出改变的dac表现出0.5 lsb的差分非线性。dnl大于1也许说明存在缺失的代码。差分非线性的测量单位为分数位或满量程的百分比。出现dnl问题的dac所生成的误差会影响到增益控制应用。
单调性
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少于 -1 lsb的差分非线性为dac产生一个非单调转换函数（图7）。如果dac是非单调的，那么dac模拟输出的振幅小于数字输入代码的增加量，反之亦然。
图7
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积分非线性
另外一个dac静态技术规格为积分非线性 （inl），它是dac真实转换函数到理想转换函数轻微偏离的测量值（图8）。积分非线性、线性误差、或者inl是dnl误差的最高值。这个技术规格使用最优直线或端到端（端点线性）直线来量化inl，单位为lsb。
图8
inl技术规格定义了最优直线或端到端直线与理想dac转换函数之间的最差情况距离。
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